DE4240492C2 - Vorrichtung zur Mikrowellen-Laufzeitmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Mikrowellen- Laufzeitmessung, mit einem Sender, der Signale in Rich­ tung zum zu überwachenden Objekt oder Bereich aussendet, und einem Empfänger, der zurückreflektierte Echosignale mittels eines Mischers, der die zurückreflektierten Echo­ signale mit einem Abtastsignal mischt, in ihrer Frequenz umsetzt und diese frequenzumgesetzten Signale einer Auswerteschaltung zuführt, die diese hinsichtlich ihrer Laufzeit auswertet.

Bei der Mikrowellen-Laufzeitmessung, die z. B. zur Entfer­ nungsmessung eingesetzt werden kann, werden über einen Sender Mikrowellen-Signale in Richtung zum zu überwachen­ den Objekt oder Bereich ausgesendet und die Laufzeit bis zum Empfang der zurückreflektierten Echosignale wird als Maß für den Abstand zum zu überwachenden Objekt oder Be­ reich gemessen. Aus der DE 31 07 444 A1 ist z. B. eine solche, dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspre­ chende Vorrichtung bekannt, die eine Abstandsmessung bis herab in den Meterbereich ermöglicht.

Probleme bei der Laufzeitauswertung bereiten allerdings intern erzeugte Störechosignale (Phantomechos), die durch Fehlanpassungen im Empfänger und/oder den mit diesem ver­ bundenen Komponenten hervorgerufen werden. Zwar versucht man stets, nicht nur die Aussendung und den Empfang der Mikrowellensignale über die Sende-/Empfangsantenne(n) gut an das Übertragungsmedium (zumeist Luft) anzupassen, son­ dern auch den Empfänger reflektionsfrei anzupassen. Letz­ teres stellt nicht nur eine gute Ausnutzung der Signal­ leistung und Signalerkennung sicher, sondern verhindert auch das Auftreten von Reflexionen am Empfängereingang, die ggf. sogar mehrfach zwischen der Antenne und dem Empfängereingang oder zwischen der Antenne und dem Ziel reflektiert werden können und dann nach Eintreten in den Empfänger nur noch schwer von tatsächlichen Zielreflexio­ nen unterscheidbar sind. Diese Phantomechos können hier­ bei sogar mehrfach aufeinanderfolgend mit abklingender Amplitude auftreten ("Klingeln").

In gleicher Weise kann das Empfangssignal z. B. auch am Mischereingang teilweise reflektiert werden. Dieser in Richtung Antenne zurücklaufende Teil wird an anderen fehlangepaßten Komponenten wie etwa dem Vorverstärker oder der Antenne erneut teilreflektiert und führt schließlich zu störenden Mischerausgangssignalen, die die Meßgenauigkeit beeinträchtigen können.

Speziell die Anpassung der Mischstufe bereitet hierbei erhebliche Probleme, insbesondere, wenn zeitweise Signal­ reflexionen systembedingt zwingend auftreten, wie dies bei einem Sampling-Puls-Radar der Fall ist. Bei diesem Radartyp werden zyklisch kurze Mikrowellenpulse abge­ strahlt und die empfangenen Echoimpulse durch eine zweite, als Lokaloszillatorsignal dienende Mikrowellenpuls­ folge geringfügig unterschiedlicher Wiederholfrequenz abge­ tastet und in ein Zwischenfrequenzsignal gedehnter Zeitbasis umgesetzt. Hierbei werden die Dioden des Mikrowellenmischers durch die Abtastimpulse kurzzeitig durchgeschaltet und lassen das gerade anstehende Empfangssignal zum Mischeraus­ gang durch. In diesem Fall liegt für das Empfangssignal weitgehend Anpassung vor. Zu allen anderen Zeitpunkten muß das Empfangssignal aber durch die Dioden reflektiert werden, so daß keine Anpassung gegeben ist. Solche zwangsweise auftretenden Reflexionen führen aber, wie vorstehend erläu­ tert, zu erneuten Reflexionen an fehlangepaßten Stellen und damit zu störenden Phantomechos.

Aus US 3,621,400 ist ein Empfangsmischer bekannt, bei welchem zur Verminderung störender Reflexionen 3-dB-Hybride für die Ankopplung eines Empfangssignales und eines Lokal­ oszillatorsignales verwendet werden. Diese Druckschrift beschäftigt sich jedoch nur allgemein damit, zwei Signale gegenseitig entkoppelt und reflexionsfrei miteinander zu kombinieren. Eine Laufzeitmessung ist dort nicht angespro­ chen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Laufzeitmessung zu schaffen, die eine Beseitigung oder zumindest Verringerung der störenden Auswirkung von intern erzeugten Störechosignalen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung ist somit der Empfänger mit einer Kompen­ sationsschaltung ausgestattet, die eine Senke für in der Vorrichtung durch Fehlanpassungen hervorgerufene Störechosig­ nale bildet. Zu diesen Störechosignalen zählen vor allem solche Signale, die im Mischer durch gezielte Sperrung von Empfangssignalen erzeugt werden. Die Kompensationsschaltung bewirkt damit eine gezielte Auslöschung der Störechosignale, so daß diese sich nicht negativ auf die Empfangsgenauigkeit auswirken können.

Der Mischer ist Gegentakt-Diodenmischer ausgebildet, dessen das Abtastsignal empfangender An­ schluß mit der Kompensationsschaltung verbunden ist. Durch die Kompensationsschaltung werden somit Reflexio­ nen, die aus dem das Abtastsignal empfangenden Anschluß austreten, ausgelöscht, so daß diese keine negativen Aus­ wirkungen haben können.

Eine effektive und einfache Gestaltung der Kompensations­ schaltung besteht in der Ausbildung als Kompensationshy­ brid, über den das Abtastsignal an den Mischer angelegt wird. Bevorzugt wird hierbei ein 90°-, 3 dB-Kompensati­ onshybrid eingesetzt. Durch geeignete Wahl der Verschal­ tung der vier Tore des Hybrids kann eine effektive Falle für die vom Mischer zugeführten Phantomechos gebildet werden.

Um eine möglichst gute Auslöschung der Phantomechos zu erreichen, sind vorzugsweise der das Abtastsignal erzeu­ gende Lokaloszillator, der an das dem mit einem Wider­ stand abgeschlossenen ersten Tor gegenüberliegenden drit­ te Tor angeschlossen ist, und eine mit einem vierten Tor verbundene Impedanz so ausgelegt, daß sie dieselben Re­ flexionen hervorrufen.

Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen, daß die Impedanz gleich groß gewählt ist wie der Impedanzwert des Lokaloszillators. Bevorzugt weist die Impedanz einen Widerstand und eine Stichleitung auf.

Um im Kompensationshybrid eine gegenseitige Auslöschung der reflektierten Signale ohne weitere Maßnahmen errei­ chen zu können, besitzen die vom Lokaloszillator und der Impedanz reflektierten, am dritten und vierten Tor auf­ tretenden Signale vorzugsweise einen gegenseitigen Pha­ senunterschied von 90°. Dies läßt sich in einfacher, zu­ verlässiger Weise dadurch erreichen, daß die Leitungslän­ gen zwischen dem dritten Tor und dem Lokaloszillator ei­ nerseits und dem vierten Tor und der Impedanz anderer­ seits so gewählt sind, daß die vom Lokaloszillator und der Impedanz reflektierten Signale einen gegenseitigen Phasenunterschied von 90° am dritten und vierten Tor be­ sitzen.

Bevorzugt sind der Gegentakt-Diodenmischer und der Kom­ pensationshybrid sowie die zur Impedanz führende Zulei­ tung in Streifenleitungstechnik aufgebaut, wodurch sich eine insgesamt kompakte und unaufwendige Gestaltung er­ gibt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Sende- und Empfangs­ teils eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Laufzeitmessung,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung des Mischers und der Kompensationsschaltung beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 eine Ausführungsform des Mischers und des Kompensationshybrids in Streifenleitungstechnik.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Laufzeitmes­ sung in Form eines Mikrowellenmeßgeräts gezeigt. Eine ge­ meinsame Sende/Empfangs-Antenne 1 ist mit einem Zirkula­ tor 2 oder einem Richtkoppler verbunden, der ihm von der Antenne 1 zugeführte Signale an einen Empfängerabschnitt 4, 5, 6 abgibt. Der Empfängerabschnitt weist einen Vor­ verstärker 4 auf, dem ein Mischer 5 nachgeschaltet ist. Der Mischer 5 ist weiterhin mit einem Lokaloszillator 6 verbunden und mischt das Empfangssignal mit dem Festfre­ quenzsignal des Lokaloszillators 6 zur Umsetzung des Emp­ fangssignals in einen tieferen Frequenzbereich (Zwischen­ frequenz). Die erfindungsgemäße Laufzeitmeßvorrichtung arbeitet bevorzugt nach dem Sampling-Puls-Radar-Prinzip, kann aber auch in anderer bekannter Weise ausgebildet sein.

Der Mischer 5 ist ausgangsseitig mit einer nicht gezeig­ ten Auswerteschaltung verbunden, die einen steuerbaren Verstärker zur Verstärkung des frequenzumgesetzten Aus­ gangssignals des Mischers 5 und einen dem steuerbaren Verstärker nachgeschalteten Demodulator aufweisen kann. Weiterhin ist die Auswerteschaltung mit einer Zeitmeß­ stufe versehen, die einen Zähler zur Zeitmessung aufwei­ sen kann.

Zur Erzeugung des Mikrowellen-Sendesignals ist ein Mikro­ wellengenerator 3 vorhanden, der sein Ausgangssignal an einen Eingang des Zirkulators 2 für die Anlegung an die Antenne 1 abgibt.

Die Laufzeitmeßvorrichtung arbeitet wie folgt:
Zur Einleitung eines Meßzyklus erzeugt eine nicht darge­ stellte Ablaufsteuerung ein Triggersignal, das sowohl an den Mikrowellengenerator 3 als auch an die Auswerteschal­ tung angelegt wird.

Der Mikrowellengenerator 3 beginnt bei Erhalt des Trig­ gersignals die Mikrowellenerzeugung und gibt das Mikro­ wellensignal über den Zirkulator 2 an die Antenne 1 ab, so daß ein Mikrowellensignal abgestrahlt wird.

Die Auswerteschaltung wird durch das Triggersignal akti­ viert und beginnt die Zeitmessung bis zur Erfassung des Echosignals.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Mischstufe der er­ findungsgemäßen Vorrichtung näher dargestellt. Der Mi­ scher 5 ist als Gegentakt-Diodenmischer ausgebildet und weist einen an sich bekannten 90°-, 3 dB-Hybrid 7 auf, der vier Tore 8 bis 11 besitzt. Der 90°-, 3 dB-Hybrid 7 teilt in bekannter Weise das Signal an einem Tor mit gleicher Amplitude auf die beiden gegenüberliegenden Tore auf, wobei dort aber ein Phasenunterschied von 90° zwi­ schen diesen beiden Signalen auftritt.

Das Empfangssignal wird dem Hybrid 7 am Tor 8 zugeführt, während das vom Lokaloszillator 6 stammende Abtastsignal am Tor 9 anliegt. Die beiden Tore 10, 11 sind mit gegen­ sinnig geschalteten Dioden 12, 13 verbunden, deren andere Anschlüsse mit einem Ausgangsanschluß 15 verbunden sind. Zwischen den Ausgangsanschluß 15 und Masse ist ein Kon­ densator 14 geschaltet, der Frequenzen oberhalb der Zwi­ schenfrequenz kurzschließt, so daß am Ausgangsanschluß 15 lediglich die Zwischenfrequenzsignale auftreten.

Der 90°-, 3 dB-Hybrid 7 teilt das Empfangssignal am Tor 8 unter Amplitudenhalbierung auf die beiden gegenüberlie­ genden Tore 10, 11 auf, wo sie bei nicht durchgeschalte­ ten Dioden 12, 13 an diesen reflektiert werden und zu den Toren 8, 9 zurücklaufen. Am Tor 8 treten die zurückre­ flektierten Signale mit gleicher Amplitude, aber einem Phasenunterschied von nun 180° auf, so daß sie sich kom­ pensieren und keine Reflexionen in Richtung zur Antenne 1 zurückwandern. Am Tor 9 treffen die zurückreflektierten Signale aber mit gleicher Phasenlage ein und gelangen folglich in den Lokaloszillatorzweig. Ohne Kompensations­ maßnahmen könnten sie nicht nur den Lokaloszillator 6 stören, sondern auch von diesem zurückreflektiert werden und damit erneut in den 90°-, 3 dB-Hybrid 7 eintreten und als Phantomechos störend in Erscheinung treten.

Um diese Probleme zu lösen, ist erfindungsgemäß eine zu­ sätzliche Kompensationsschaltung 16 bis 22 vorhanden, die eine Senke für solche durch interne Reflexionen gebilde­ ten Störechos bildet und diese folglich neutralisiert.

Die Kompensationsschaltung 16 bis 22 weist einen 90°-, 3 dB-Hybrid 16 auf, der identisch aufgebaut ist wie der 90°-, 3 dB-Hybrid 7 des Mischers 5 und vier Tore 17, 19, 20, 21 besitzt. Das dem Tor 20 gegenüberliegende Tor 17 ist mit einem angepaßten Widerstand 18 verbunden, dessen anderer Anschluß auf Massepotential liegt.

Das auf der gleichen (linken) Seite wie das Tor 17 lie­ gende Tor 19 ist mit dem Tor 9 des 90°-, 3 dB-Hybrids 7 des Mischers 5 verbunden. Der Lokaloszillator 6 ist an das Tor 20 angeschlossen, während das dem Tor 19 gegen­ überliegende Tor 21 mit einer Impedanz 22 verbunden ist, deren anderer Anschluß auf Massepotential liegt.

Das vom Lokaloszillator 6 erzeugte Abtastsignal wird an den Anschluß 20 angelegt und im Hybrid 16 gleichmäßig auf die Tore 17, 19 aufgeteilt. Vom Tor 19 gelangt es an den Eingang 9 des Mischers 5. Somit verringert sich für den Mischer 5 durch die Einfügung der Kompensationsschaltung lediglich die Amplitude des Abtastsignals um 3 dB. Dies kann aber sehr einfach durch entsprechende Erhöhung der Generatorleistung des Lokaloszillators 6 ausgeglichen werden.

Der vom Tor 20 zum Tor 17 laufende Anteil des Abtastsi­ gnals des Lokaloszillators 6 wird im angepaßten Wider­ stand 18 absorbiert.

Der vom Mischer 5 zum Tor 9 und weiter in den Lokaloszil­ latorzweig reflektierte Anteil des Empfangssignals wird im Hybrid 16 vom Tor 19 gleichmäßig auf die beiden gegen­ überliegenden Tore 20, 21 aufgeteilt und läuft über diese dann zu gleichen Anteilen weiter zum Lokaloszillator 6 und zur Impedanz 22. Dort werden sie erneut zum Hybrid 16 zurückreflektiert und treten über die Tore 20 und 21 wie­ der in diesen ein. Die Kompensationsschaltung 16 bis 22 ist so ausgelegt, daß die vom Lokaloszillator 6 und von der Impedanz 22 zum Hybrid 16 zurückreflektierten Signale gleiche Amplitude, aber einen Phasenunterschied von 90° besitzen. Dabei eilt das zum Tor 21 zurückreflektierte Signal gegenüber dem zum Tor 20 zurücklaufenden Signal vor.

Die über die Tore 20 und 21 in den Hybrid 16 eintretenden zurückreflektierten Signale werden auf die Tore 17 und 19 aufgeteilt und addieren sich am Tor 19 gegenphasig. Damit löschen sie sich am Tor 19 aus und gelangen folglich nicht zum Mischer 5. Das vom Mischer 5 in Richtung zum Lokaloszillator 6 reflektierte Signal gelangt somit nicht mehr zum Mischer 5 zurück.

Am Tor 17 überlagern sich demgegenüber die über die Tore 20, 21 zurückgeführten Signale mit gleicher Phase. Diese werden aber durch den Abschlußwiderstand 18 vollständig absorbiert, d. h. ausgelöscht. Damit sind die vom Mischer 5 zum Lokaloszillator 6 zurückreflektierten Signalanteile vollständig aufgezehrt und können keine Störungen hervor­ rufen.

Dies gilt in gleicher Weise auch für alle intern reflek­ tierten Signale, die von vorgeschalteten Komponenten in den Mischer 5 einlaufen und in diesem an den Dioden 12, 13 reflektiert werden. Auch diese werden durch die erfin­ dungsgemäße Ausgestaltung absorbiert, so daß sie keine Störungen verursachen können.

Um sicherzustellen, daß die Reflexionen am Lokaloszilla­ tor 6 und an der Impedanz 22 gleich groß sind, wird vor­ zugsweise der Wert der Impedanz 22 so gewählt, daß er gleich groß ist wie der Impedanzwert des Lokaloszillators 6. Hierzu wird zunächst die Impedanz des Lokaloszillators 6 ermittelt und die Impedanz 22 entsprechend ausgelegt. Der Wirkanteil der Impedanz 22 läßt sich durch einen Wi­ derstand bilden, während der Blindanteil z. B. durch eine Stichleitung realisiert werden kann.

Um einen Phasenunterschied von 90° zwischen den Reflexio­ nen am Lokaloszillator 6 und an der Impedanz 22 sicherzu­ stellen, sind die Längen der Leitungen zwischen dem Hy­ brid 16 einerseits und dem Lokaloszillator 6 bzw. der Im­ pedanz 22 andererseits so gewählt, daß sich dieser Pha­ senunterschied einstellt.

Fig. 3 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung des Mischers 5 und der Kompensationsschaltung in Form einer Mikrostripschaltung.

Die Hybride 7 und 16 sind in Streifenleitungstechnik in Form von hohlen Quadraten gestaltet, deren Eckpunkte mit den Toren verbunden sind. Die zwischen dem Tor 21 und der Impedanz 22 vorhandene Zuleitung 23 ist als mäander­ förmiger Streifenleiter ausgebildet.

Die Impedanz 22 besteht aus einem zwischen die Leitung 23 und Masse geschalteten Widerstand 24 und einer mit dem Widerstand 24 und der Zuleitung 23 verbundenen, einseitig offenen Stichleitung 25.

Es ist auch möglich, statt der platz- und kostensparenden gemeinsamen Antenne 1 getrennte Sende- und Empfangsantennen zu verwenden.

Bei dem beschriebenen Mikrowellen-Laufzeitmeßgerät läßt sich ein Pulsradar oder auch ein FMCW-Radar einsetzen. Es kann aber auch jeder andere geeignete Radar- oder Signalart-Typ eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Mikrowellen-Laufzeitmessung, mit einem Sender (1, 3), der Signale in Richtung zum zu überwa­ chenden Objekt oder Bereich aussendet, und einem Empfänger (4, 5, 6), der zurückreflektierte Echosignale mittels eines Mischers (5), der die zurückreflektierten Echosignale mit einem Abtastsignal mischt, in ihrer Frequenz umsetzt und diese frequenzumgesetzten Signale einer Auswerteschaltung zuführt, die diese hinsichtlich ihrer Laufzeit auswertet, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - der Mischer (5) ist als Gegentakt-Diodenmischer (7) ausgebildet und weist einen Anschluß (8) zum Zuführen des zurückreflektierten Echosignales und einen ande­ ren Anschluß (9) zum Zuführen des von einem Lokalos­ zillator (6) erzeugten Abtastsignals auf,
• - zwischen den Lokaloszillator (6) und den anderen Anschluß (9) ist ein Koppler (16) geschaltet, der ein erstes Tor (17), das mit einem Widerstand (18) abge­ schlossen ist, ein mit dem anderen Anschluß (9) verbundenes zweites Tor (19), ein dem ersten Tor (17) gegenüberliegendes und mit dem Lokaloszillator (6) verbundenes drittes Tor (20) und ein viertes Tor (21) aufweist, das mit einer Impedanz (22) abgeschlossen ist,
• - der Lokaloszillator (26) und die Impedanz (22) sind derart ausgelegt, daß ein am zweiten Tor (19) auf­ grund von Störreflexionen innerhalb der Vorrichtung entstehendes Störsignal minimierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppler (16) ein 90°-, 3 dB-Koppler ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Lokaloszillator (6) und die Impedanz (22) so ausgelegt sind, daß sie dieselben Reflexionen hervor­ rufen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwert des Lokaloszilla­ tors (6) und die Impedanz (22) gleich groß sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (22) einen Widerstand (24) und eine Stichleitung (25) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Lokaloszillator (6) und der Impedanz (22) reflektierten, am dritten und vierten Tor (20, 21) vom Echosignal herrührenden Signale einen gegenseitigen Pha­ senunterschied von 90° besitzen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungslängen zwischen dem dritten Tor (20) und dem Lokaloszillator (6) einerseits und dem vierten Tor (21) und der Impedanz (22) anderer­ seits so gewählt sind, daß die vom Lokaloszillator und der Impedanz reflektierten vom Echosignal herrührenden Signale einen gegenseitigen Phasenunterschied von 90° am dritten und vierten Tor besitzen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationshybrid (16) und der Gegentakt-Diodenmischer (7 bis 13) des Mischers (5) sowie die zur Impedanz (22) führende Zuleitung (23) in Streifenleitungstechnik aufgebaut sind.